Om en talsignal reduceras till paket, och den tvingas dela en länk med bursty datatrafik (trafik med några stora datapaket), kommer talpaketen alltid att stöta på fullstora datapaket, oavsett hur små de kan göras. Under normala köförhållanden kan cellerna uppleva maximala köfördröjningar. För att undvika detta problem är alla ATM-paket, eller ”celler”, lika små. Dessutom innebär den fasta cellstrukturen att ATM lätt kan växlas med hjälp av hårdvara utan de inneboende fördröjningar som införs av mjukvaruväxlade och routerade ramar.
Det var alltså ATM:s konstruktörer som använde sig av små dataceller för att minska jitter (fördröjningsvariationen, i det här fallet) vid multiplexering av dataströmmar. Minskning av jitter (och även av slut-till-slut-fördröjningar) är särskilt viktigt vid överföring av taltrafik, eftersom omvandlingen av digitaliserad röst till en analog ljudsignal är en process i realtid, och för att göra ett bra jobb behöver avkodaren (codec) som gör detta en jämnt fördelad (i tid) ström av dataelement. Om nästa dataelement inte finns tillgängligt när det behövs har codec:n inget annat val än att producera tystnad eller gissning – och om datan är sen är den värdelös, eftersom den tidsperiod då den skulle ha omvandlats till en signal redan har passerat.
Vid tiden för utformningen av ATM ansågs 155 Mbit/s synkron digital hierarki (SDH) med 135 Mbit/s nyttolast vara en snabb optisk nätverkslänk, och många plesiochron digital hierarki-länkar (PDH) i det digitala nätet var betydligt långsammare, från 1.544 till 45 Mbit/s i USA och 2 till 34 Mbit/s i Europa.
Vid 155 Mbit/s skulle ett typiskt datapaket med full längd på 1 500 byte (12 000 bitar), som är tillräckligt för att innehålla ett IP-paket av maximal storlek för Ethernet, ta 77,42 µs att sända. I en länk med lägre hastighet, t.ex. en T1-ledning på 1,544 Mbit/s, skulle samma paket ta upp till 7,8 millisekunder.
En köfördröjning som orsakas av flera sådana datapaket kan överskrida siffran 7,8 ms flera gånger om, utöver en eventuell fördröjning av paketgenerering i det kortare talpaketet. Detta ansågs oacceptabelt för taltrafiken, som måste ha ett lågt jitter i den dataström som matas in i codec:n om den ska kunna producera ljud av god kvalitet. Ett paketröstsystem kan åstadkomma detta låga jitter på ett antal sätt:
- Användning av en uppspelningsbuffert mellan nätet och codec:n, en buffert som är tillräckligt stor för att codec:n skall kunna överbrygga nästan allt jitter i datatrafiken. Detta gör det möjligt att jämna ut jittern, men den fördröjning som införs genom passagen genom bufferten kräver ekokompensatorer även i lokala nät; detta ansågs för dyrt på den tiden. Dessutom ökade fördröjningen genom kanalen och gjorde det svårt att konversera över kanaler med hög fördröjning.
- Användning av ett system som av naturliga skäl ger låg jitter (och minimal total fördröjning) till trafik som behöver det.
- Drivs på en 1:1-användarbasis (dvs. en dedikerad pipeline).
Designen av ATM syftade till ett nätverksgränssnitt med låg jitter. ”Celler” infördes dock i konstruktionen för att ge korta köfördröjningar samtidigt som man fortsatte att stödja datagramtrafik. ATM delade upp alla paket, data- och röstströmmar i 48-byte-bitar och lade till en 5-byte routing-huvud till varje paket så att de kunde sättas ihop igen senare. Valet av 48 byte var snarare politiskt än tekniskt. När CCITT (numera ITU-T) standardiserade ATM ville parter från USA ha en 64-byte-nyttolast eftersom detta ansågs vara en bra kompromiss mellan större nyttolaster optimerade för dataöverföring och kortare nyttolaster optimerade för realtidstillämpningar som röst. Parter från Europa ville ha 32-byte-nyttolaster eftersom den lilla storleken (och därmed de korta överföringstiderna) förenklar rösttillämpningar med avseende på ekoavstängning. De flesta av de europeiska partierna gick så småningom med på amerikanernas argument, men Frankrike och några andra höll fast vid en kortare cellängd. Med 32 bytes skulle Frankrike ha kunnat införa ett ATM-baserat röstnät där samtal från den ena änden av Frankrike till den andra inte kräver någon ekoavstängning. 48 bytes (plus 5 header bytes = 53) valdes som en kompromiss mellan de två sidorna. Man valde 5 bytes huvuddelar eftersom man ansåg att 10 % av nyttolasten var det maximala priset att betala för routningsinformation. ATM multiplexade dessa 53-byte-celler i stället för paket, vilket minskade jitteret för cellkonflikt i värsta fall med en faktor på nästan 30, vilket minskade behovet av ekoavbrottare.
CellstrukturRedigera
En ATM-cell består av en 5-byte-huvuddel och en 48-byte-nyttolast. Nyttolaststorleken på 48 byte valdes enligt beskrivningen ovan.
ATM definierar två olika cellformat: UNI (user-network interface) och NNI (network-network interface). De flesta ATM-länkar använder UNI-cellformatet.
|
Diagram över en UNI ATM-cell
|
Diagram över en NNI ATM-cell
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
GFC = Fältet för generisk flödeskontroll (GFC) är ett 4-bitfält som ursprungligen lades till för att stödja anslutningen av ATM-nätverk till delade accessnätverk, t.ex. en DQDB-ring (distributed queue dual bus). GFC-fältet utformades för att ge User-Network Interface (UNI) 4 bitar för att förhandla om multiplexering och flödeskontroll mellan cellerna i olika ATM-anslutningar. Användningen och de exakta värdena för GFC-fältet har dock inte standardiserats, och fältet är alltid inställt på 0000. VPI = virtuell kanalidentifierare (8 bitar UNI, eller 12 bitar NNI) VCI = virtuell kanalidentifierare (16 bitar) PT = typ av nyttolast (3 bitar) PT bit 3 (msbit): Nätverkshanteringscell. Om 0, användardatacell och följande gäller: PT bit 2: Explicit forward congestion indication (EFCI); 1 = nätverksöverbelastning PT bit 1 (lsbit): ATM-användare-till-användare (AAU) bit. Används av AAL5 för att indikera paketgränser. CLP = Cell loss priority (1-bit) HEC = Header error control (8-bit CRC, polynom = X8 + X2 + X + 1)
ATM använder PT-fältet för att beteckna olika speciella typer av celler för drift, administration och hantering (OAM), och för att ange paketgränser i vissa ATM-anpassningslager (AAL). Om den mest signifikanta biten (MSB) i PT-fältet är 0 är detta en användardatacell, och de andra två bitarna används för att indikera nätverksöverbelastning och som en allmänt användbar headerbit som är tillgänglig för ATM-anpassningslagren. Om MSB är 1 är detta en förvaltningscell och de andra två bitarna anger typen. (Nätverkshanteringssegment, nätverkshantering end-to-end, resurshantering och reserverad för framtida användning.)
Vissa ATM-länkprotokoll använder HEC-fältet för att driva en CRC-baserad inramningsalgoritm, vilket gör det möjligt att lokalisera ATM-cellerna utan någon overhead utöver vad som annars behövs för skydd av huvudet. Den 8-bitars CRC används för att korrigera enbits headerfel och upptäcka flerbits headerfel. När multibits headerfel upptäcks tappas den aktuella och efterföljande cellerna tills en cell utan headerfel hittas.
En UNI-cell reserverar GFC-fältet för ett lokalt flödesstyrnings-/submultiplexeringssystem mellan användare. Detta var avsett att göra det möjligt för flera terminaler att dela en enda nätverksanslutning, på samma sätt som två ISDN-telefoner (Integrated Services Digital Network) kan dela en enda ISDN-anslutning med bashastighet. Alla fyra GFC-bitar måste som standard vara noll.
NNI-cellformatet replikerar UNI-formatet nästan exakt, förutom att det 4-bitariga GFC-fältet omfördelas till VPI-fältet, vilket förlänger VPI till 12 bitar. Således kan en enda NNI ATM-anslutning adressera nästan 212 VPs med upp till nästan 216 VCs vardera (i praktiken är en del av VP- och VC-numren reserverade).
TjänstetyperRedigera
ATM stöder olika typer av tjänster via AALs. Standardiserade AALs omfattar AAL1, AAL2 och AAL5 samt de sällan använda AAL3 och AAL4. AAL1 används för tjänster med konstant bithastighet (CBR) och kretsemulering. Synkronisering upprätthålls också vid AAL1. AAL2 till AAL4 används för tjänster med variabel bithastighet (VBR) och AAL5 för data. Vilken AAL som används för en viss cell är inte kodad i cellen. I stället förhandlas det av eller konfigureras vid ändpunkterna per virtuell anslutning.
Efter den ursprungliga utformningen av ATM har nätverken blivit mycket snabbare. En 1500 byte (12000-bit) fullstor Ethernet-ram tar endast 1,2 µs att sända i ett 10 Gbit/s-nät, vilket minskar behovet av små celler för att minska jitter på grund av konkurrens. Vissa anser att detta är ett argument för att ersätta ATM med Ethernet i nätverksstamnätet. De ökade länkhastigheterna i sig minskar inte jitter på grund av köbildning. Dessutom är hårdvaran för att genomföra tjänsteanpassningen för IP-paket dyr vid mycket höga hastigheter. På grund av sin fasta cellnytta på 48 byte är ATM inte lämplig som ett datalänkskikt som ligger direkt under IP (utan behov av SAR på datalänknivå), eftersom det OSI-skikt som IP fungerar på måste tillhandahålla en maximal överföringsenhet (MTU) på minst 576 byte. SAR-prestandagränserna innebär att de snabbaste ATM-gränssnitten för IP-routers ATM-gränssnitt är STM16 – STM64, vilket faktiskt är jämförbart, medan POS från och med 2004 kan arbeta med OC-192 (STM64) med högre hastigheter som väntas i framtiden, begränsningar baserade på segmentering och reassemblering (SAR).
På långsammare eller överbelastade länkar (622 Mbit/s och lägre) är ATM meningsfullt, och därför använder de flesta asymmetriska ADSL-system (Asymmetric Digital Subscriber Line) ATM som ett mellanskikt mellan det fysiska länkskiktet och ett Layer 2-protokoll som PPP eller Ethernet.
Vid dessa lägre hastigheter ger ATM en användbar förmåga att transportera flera logiska kretsar på ett enda fysiskt eller virtuellt medium, även om det finns andra tekniker, t.ex. Multi-link PPP och Ethernet VLANs, som är valfria i VDSL-implementationer. DSL kan användas som en tillträdesmetod för ett ATM-nät, vilket gör det möjligt för en DSL-termineringspunkt i en telefoncentral att ansluta till många leverantörer av Internettjänster via ett ATM-nät med stor räckvidd. Åtminstone i USA har detta gjort det möjligt för DSL-leverantörer att tillhandahålla DSL-åtkomst till kunder hos många Internetleverantörer. Eftersom en DSL-termineringspunkt kan stödja flera Internetleverantörer har den ekonomiska genomförbarheten för DSL förbättrats avsevärt.